地电阻率观测中地铁杂散电流特征研究

王兰炜 张宇 张兴国 胡哲

王兰炜,张宇,张兴国,胡哲. 2023. 地电阻率观测中地铁杂散电流特征研究. 地震学报,45(2):1−17 doi: 10.11939/jass.20210197
引用本文: 王兰炜,张宇,张兴国,胡哲. 2023. 地电阻率观测中地铁杂散电流特征研究. 地震学报,45(2):1−17 doi: 10.11939/jass.20210197
Wang L W,Zhang Y,Zhang X G,Hu Z. 2023. The characteristics of subway stray current on geo-electrical resistivity observation. Acta Seismologica Sinica,45(2):1−17 doi: 10.11939/jass.20210197
Citation: Wang L W,Zhang Y,Zhang X G,Hu Z. 2023. The characteristics of subway stray current on geo-electrical resistivity observation. Acta Seismologica Sinica45(2):1−17 doi: 10.11939/jass.20210197

地电阻率观测中地铁杂散电流特征研究

doi: 10.11939/jass.20210197
基金项目: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(CEAIEF2022030101)
详细信息
    作者简介:

    王兰炜,博士,正研级高工,主要从事地震地电观测方法和技术发研究,e-mail:

    通讯作者:

    张宇,硕士,高级工程师,主要从事地震地电观测方法和技术的研究,e-mail:zyflyingfish@163.com

  • 中图分类号: TH762

The characteristics of subway stray current on geo-electrical resistivity observation

  • 摘要: 地电阻率研究在地震电磁学中具有十分重要的意义,地铁运行时的入地电流信号(杂散电流)在地电阻率观测中所表现出来的特征对分析地电观测资料,并正确判断震前异常也具有重大意义。本文在地铁杂散电流产生机理讨论的基础上,定量计算了地铁运行时杂散电流在地电阻率观测中所呈现的特征,结果表明地铁杂散电流传播范围可以达到几十甚至上百千米。通过对城市周边的北京通州、天津青光、宝坻、塘沽、江苏江宁和辽宁新城子6个地电阻率观测台站观测到的该类信号的研究,分析了其幅度、主要频率范围以及空间分布特征,结果表明该类信号的幅度从几mV至几十mV不等,与源距关系密切,周期主要集中在50—200 s范围内,在分析地震异常前兆信号时该类信号可使信噪比降低10—30 dB左右,其相对方差最大超出标准20倍左右。根据地铁运行时杂散电流传播的特征,本文提出了几种压制该类信号的措施,为识别地震前地电阻率异常信息、排除噪声提供了很有意义的依据。

     

  • 图  1  地铁单车运行时电流示意图(a)及简化等效电路图(b)

    Figure  1.  The schematic diagram of current (a) and equivalent circuit (b) for single-train operation

    图  2  地电阻率测量示意图

    Figure  2.  The principle of geo-electrical observation

    图  3  地铁杂散电流信号

    (a)北京通州台(2014-04-21 13:00开始);(b)天津青光台(2014-05-16 16:00开始);(c)天津塘沽台(2014-05-13 17:00开始);(d)天津宝坻台(2014-05-12 11:00开始);(e)江苏江宁台(2014-10-13 15:00开始);(f)辽宁新城子台(2014-07-30 17:00开始)

    Figure  3.  The stray current signal in different observations

    (a) Tongzhou (From 13:00,Apr 21st,2014);(b) Qingguang (From 16:00,May 16th,2014);(c) Tanggu (From 17:00,May 13th,2014);(d) Baodi (From 11:00,May 12th,2014);(e) Jiangning (From 15:00,Oct 13th,2014); (f) Xinchengzi (From 17:00,Jul 30th,2014)

    图  4  地铁运行时段和停运时段功率谱密度对比

    (a) 北京通州台;(b) 天津青光台;(c) 天津塘沽台;(d) 天津宝坻台;(e) 江苏江宁台;(f) 辽宁新城子

    Figure  4.  Comparison of PSD between the subway operation and non-operation time period

    (a) Tongzhou;(b) Qingguang;(c) Tanggu;(d) Baodi;(e) Jiangning;(f) Xinchengzi

    图  5  天津青光台地电阻率小时观测数据曲线(2019年12月30日至31日)

    (a) 南北方向地电阻率;(b) 南北方向测量均方差

    Figure  5.  The curve of hourly geo-electrical resistivity observation data of Qingguang (30th to 31th,Dec 2019)

    (a) Geo-electrical resistivity of NS direction;(b) RMS value of NS direction

    图  6  江苏江宁台地电阻率小时观测数据曲线(2017年1月1日至2日)

    (a) 东西方向地电阻率;(b) 东西方向测量均方差

    Figure  6.  The curve of hourly geo-electrical resistivity observation data of Jiangning (1st to 2nd,Jan 2017)

    (a) Geo-electrical resistivity of EW direction;(b) RMS value of EW direction

    图  7  天津青光台日均值数据曲线(2017年1月1日至30日)

    (a) 东西方向地电阻率;(b) 东西方向相对均方差

    Figure  7.  The daily mean value of geo-electrical resistivity observation data (1st to 30th,Jan 2017)

    (a) Geo-electrical resistivity of EW direction;(b) RMS value of EW direction

    图  8  江苏江宁台日均值观测数据曲线(2017年1月1日至30日)

    (a) 东西方向地电阻率;(b) 东西方向相对均方差

    Figure  8.  The daily mean value of geo-electrical resistivity observation data (1st to 30th ,Jan 2017)

    (a) Geo-electrical resistivity of EW direction;(b) RMS value of EW direction

    图  9  江苏江宁台地电阻率交、直流小时观测数据曲线(2016年9月29日至30日)

    (a) 南北方向地电阻率;(b) 东西方向地电阻率;(c) 南北方向测量方差;(d) 东西方向测量方差

    Figure  9.  Comparison of AC & DC hourly geo-electrical resistivity observation data of Jiangning

    (a) Geo-electrical resistivity of NS direction;(b) Geo-electrical resistivity of EW direction;(c) RMS value of NS direction;(d) RMS value of EW direction

    表  1  地铁杂散电流对地电阻率观测影响随距离的变化情况(R1=75,R2=1,C=3.33)

    Table  1.   The influence of stray current varies with distance (R1=75,R2=1,C=3.33)

    测区至地铁距离r1
    /km
    δ
    dAB=1000 mdAB=500 mdAB=200 m
    108.530%2.132%0.341%
    202.132%0.533%0.085%
    300.948%0.237%0.038%
    400.533%0.133%0.021%
    500.341%0.085%0.014%
    600.237%0.059%0.009%
    700.174%0.044%0.007%
    800.133%0.033%0.005%
    900.105%0.026%0.004%
    1000.085%0.021%0.003%
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    表  2  各个台站观测装置及与地铁最近距离

    Table  2.   The configuration in geo-electrical resistivity and the distance between observation station and subway

    序号台站名称与地铁最近距离/km观测装置
    测道方向供电极距/m测量极距/m装置系数/m
    1 北京通州台 11.0 南北、东西 1 760 320 7 351
    2 天津青光台 7.6 南北、东西 1 000 316 2 237
    3 天津塘沽台 城区线:40.0
    九号线:7.0
    南北,东西 南北:1 500
    东西:1 000
    南北:500
    东西:300
    3 141
    2 382
    4 天津宝坻台 52.0 南北、东西 1 000 200 3 769
    5 江苏江宁台 城区线:30.0
    机场线:3.0
    南北、东西 1 000 300 2 382
    6 辽宁新城子 19.4 南北、东西 1 000 300 2 382
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    表  3  不同周期范围功率占比

    Table  3.   The distribution of power in different periods

    周期范围/s北京通州台天津青光台天津塘沽台天津宝坻台江苏江宁台辽宁新城子
    50—10010.1719.028.7414.7833.3424.26
    100—15029.5660.5011.6654.556.7757.57
    150—20056.8718.1376.3527.009.1315.67
    200—2502.381.680.851.1239.282.10
    250—3000.170.201.810.570.770.00
    300—3500.830.470.591.9710.710.40
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    表  4  不同台站记录的地铁杂散电流信号幅度及测量信噪比

    Table  4.   The stray current signal amplitude and the SNR

    台站名称测道
    方向
    人工电位差/mV噪声幅度/mV测量信噪比/dB信噪比降低
    /dB
    停运时段运行时段停运时段运行时段
    北京通州 南北 7 0.14 1.33 34.0 14.4 19.6
    东西 7 0.17 1.16 32.3 15.6 16.7
    天津青光 南北 9 0.09 4.96 40.0 5.2 34.8
    东西 9 0.36 2.25 28.0 12.0 15.9
    天津塘沽 南北 7 0.06 1.94 41.3 11.1 30.2
    东西 10 0.40 0.79 28.0 22.0 5.9
    天津宝坻 南北 41 0.07 0.48 55.4 38.6 16.7
    东西 41 0.06 0.25 56.7 44.3 12.4
    江苏江宁 南北 93 0.19 3.60 53.8 28.2 25.6
    东西 73 0.56 13.86 42.3 14.4 27.9
    辽宁新城子 南北 26 0.13 1.02 34.0 14.4 19.6
    东西 26 0.10 0.46 32.3 15.6 16.7
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    表  5  不同台站的地电阻率变幅与相对方差

    Table  5.   The maximum variation and RMS value of geo-electrical resistivity

    台站名称电阻率最大变幅/Ω·m相对均方差
    南北东西南北东西
    北京通州1.833.990.65%1.75%
    天津青光1.290.483.73%1.72%
    天津塘沽1.720.597.57%2.55%
    天津宝坻0.320.220.36%0.20%
    江苏江宁1.505.221.13%5.37%
    辽宁新城子0.090.050.15%0.08%
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    表  6  几个台站的理论避让距离(R1=75,R2=1,δ=0.3%)

    Table  6.   The minimum distance between observation station and subway (R1=75,R2=1,δ=0.3%)

    台站名称供电极距/m测量极距/mCdAB/dMN最小避让距离/km
    北京通州台1 7603205.5097
    天津青光台1 0003163.1653
    天津塘沽台1 5005003.0079
    天津宝坻台1 0002005.0055
    江苏江宁台1 0003003.3353
    辽宁新城子1 0003003.3353
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-29
  • 修回日期:  2022-02-23
  • 网络出版日期:  2022-09-02

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